Chytrý prach ve službách lidstva

V blízké budoucnosti vzniknou miniaturní senzory schopné sběru, zpracování a bezdrátového přenosu dat. Představte ...


V blízké budoucnosti vzniknou miniaturní senzory schopné sběru, zpracování a
bezdrátového přenosu dat.
Představte si, že by bylo možné rozptýlit v nějakém prostoru stovky
miniaturních senzorů, které by měřily teplotu, vlhkost nebo sílu či frekvenci
vibrací. Takové senzory by umožnily sledovat práci výrobních linek, chování
lidí v nějakém areálu nebo detailně kontrolovat prostředí ve skladech
chemických látek. Uplatnění by mohly najít v soukromém i ve vojenském sektoru.
Nejde o žádnou sci-fi na podobných zařízeních se již řadu let pracuje.
Zařízení označovaná jako "chytrý prach" (smart dust) mají podobu malých
elektromechanických senzorů (MEMS, microelectromechanical sensor) schopných
bezdrátové komunikace se svým okolím. Tyto senzory mohou detekovat řadu veličin
vibrace, vlhkost nebo intenzitu světla.
Díky poslednímu vývoji v oblasti návrhu a výrobních technologií křemíkových
čipů mohou mít tyto senzory velikost zrnka písku a přesto obsahovat jak vlastní
senzor, tak i výpočetní obvody, zdroj napájení a podporu komunikační
technologie schopné obousměrného bezdrátového přenosu dat. Tato zrnka prachu
mohou sbírat množství dat, provést potřebné výpočty a odeslat informace
prostřednictvím obousměrného radiového spojení navázaného mezi jednotlivými
zrnky na vzdálenost až 250 metrů.
Pro chytrý prach existuje množství potenciálních komerčních aplikací. Jde
například o odchytávání chyb při průmyslové výrobě prostřednictvím zachycení
vibrací, které se nacházejí mimo stanovené pásmo, nebo o sledování pohybu
návštěvníků ve firmě či pacientů v nemocnici.

Slepé uličky vývoje
Navzdory slibnému vývoji existuje i množství technických překážek, které brání
skutečně širokému komerčnímu přijetí chytrého prachu. Výzkumníci například
podle Garyho Feddera, profesora elektrického a počítačového inženýrství na
Carnegie Mellon University (CMU) v Pittsburgu, bojují s problémem, jak umístit
senzor MEMS a příslušnou elektroniku na jediný čip.
Fedder, který je spoluzakladatelem laboratoře MEMS na CMU, se snaží vyřešit
zmíněné problémy prostřednictvím nových návrhových a výrobních technik, ale
připouští, že jeho laboratoř má před sebou ještě spoustu práce.
"Skvělé by bylo mít jednoho inženýra, který skutečně velmi hluboce rozumí oběma
druhům těchto systémů, a je tak schopen navrhnout způsob jejich integrace. To
ovšem podle mého názoru vyžaduje nadlidské schopnosti," říká Fedder. Fedderova
laboratoř vyvíjí mimo jiné technologie pro nové návrhářské nástroje, které mají
vývojářům pomoci navrhnout design tohoto druhu systémů.

V praxi
Uvedené technologie mohou mít skutečně velmi významný dopad na celou
společnost, což vývojáře neustále žene vpřed. Rovněž to pomáhá vysvětlit, proč
agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) začala již v roce
1998 financovat některé části tohoto výzkumu na univerzitě v Berkeley.
Cílem výzkumníků je dosáhnout stavu, kdy budou čipy chytrého prachu menší než 1
mm3. Současná "zrnka" mají podle Kristofera Pistera, profesora elektrického
inženýringu na univerzitě v Berkeley, pracujícího na řešení problematiky
chytrého prachu od roku 1997, délku hrany okolo 5 mm. Pister je nyní až do
počátku roku 2004 uvolněn z práce na univerzitě pro práci ve společnosti Dust,
která se zabývá vývojem peer-to-peer bezdrátových senzorových sítí. Cílem
společnosti je podle Pistera vyvinout hardwarová a softwarová rozhraní, která
jsou stabilní, spolehlivá a levná.
Cena inteligentního prachu stále postupně klesá. Ceny se pohybují mezi 50 a 100
americkými dolary za jeden kus, Pister ale předpovídá, že během 5 let zlevní na
1 dolar.
Pister také vidí spoustu potenciálních komerčních aplikací pro tuto technologii
podle něj mohou sloužit třeba jako senzory provozu v ucpaných městských
oblastech, pro monitorování spotřeby energie domácích zařízení, aby se
zjistilo, zda pracují s maximální dostupnou efektivitou, nebo v řadě dalších
aplikací.
Pister i další poukazují na to, že velikost těchto mikrostrojů představuje
nemálo problémů mimo jiné s napájením. Za ideální považují výzkumníci a
vývojáři stav, kdy tato zařízení nebudou závislá na externích zdrojích energie.
Mnohé tyto systémy dnes pro své napájení používají miniaturní baterie.
"V baterii máte omezené množství energie. Je třeba ji efektivně využít a
zařídit, aby byl její zdroj trvanlivý," říká Mike Horton, CEO společnosti
Crossbow Technology, výrobce technologií pro MEMS. K jejím zákazníkům patří
mimo jiné jedna kosmetická společnost, která používá bezdrátové senzory k tomu,
aby udržela určitou úroveň vlhkosti na různých místech svých prodejen. To je
pro ni nezbytností, protože nabízí produkty citlivé na vlhkost. "Můžete senzory
také připojit do elektrické zásuvky ve zdi, ale to poněkud popírá schopnost
využití těchto senzorů jako zcela autonomních jednotek," poznamenává Horton.

Očekávané průlomy
Výzkumníci se snaží vyřešit problémy spotřeby a efektivní komunikace především
tím, že se zaměřují na takzvané nízkovýkonové ad hoc směrovací protokoly.
Jejich prostřednictvím má být možno předat zprávu od jednoho zrnka k druhému za
použití co nejmenšího množství energie. Výzkum mířící tímto směrem byl započat
v průběhu posledních dvou let na univerzitě v Berkeley, na MITu a na
Kalifornské univerzitě v Los Angeles.
"Zatím jsme neobjevili univerzální přístup, který by byl vhodný pro řešení
všech problémů," říká Horton. Osobně podle vlastních prohlášení věří ve dva
technologické průlomy, které by podle něj neměly být otázkou nijak vzdálené
budoucnosti. Ty by měly významně ovlivnit napájení a velikost uvedených
zařízení. První z nich by se měl dotknout polovodičových prvků, kdy by se mělo
podařit dostat několik součástí, které jsou k funkci inteligentního zrnka písku
třeba, do jedné součásti. To je vývoj, který by podle Hortona neměl trvat déle
než 2 roky.
A pokud jde o napájení, zde Horton upozorňuje na výzkum Shad Roundyové z
univerzity v Berkeley zabývající se palivovými články, které dokážou pracovat s
energií až neuvěřitelně úsporně. Jejich činnost zahrnuje využívání vibrační
energie generované průmyslovými stroji nebo sbírání energie slabého světla.
"Využití těchto úsporných technologií v praxi může být vzdáleno tak pět let,"
říká Horton.
Zatímco výzkumníci i komerční vývojáři jsou takřka posedlí potenciálními
aplikacemi chytrého prachu, velmi opatrně se stavějí k predikci řešení
současných problémů ať už jde o zmiňované napájení nebo o další části návrhu,
které ještě stále zbývají k dořešení. "Spousta lidí už netrpělivě přešlapuje
přede dveřmi a touží tuto technologii komercializovat, ale ona musí nejprve
dospět, takže její velké rozšíření je vzdáleno ještě několik let," konstatuje
Fedder.

Multifunkční zrnko prachu
Cílem projektu takzvaného chytrého prachu, na kterém se pracuje na univerzitě v
Berkeley, je vytvořit zařízení o velikosti okolo 1 milimetru krychlového, které
bude obsahovat senzory, výpočetní jednotku, technologii pro oboustrannou
bezdrátovou komunikaci a napájecí zdroj. Současně se musí jednat o velmi laciné
zařízení, jež bude možno nasazovat ve stovkách kusů.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.